基于力平衡負(fù)反饋的電化學(xué)地震檢波器*

李光磊， 王軍波， 陳連宏， 陳 健， 陳德勇

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

0 引 言

地震檢波器是一種可以將地震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可直接測(cè)量與處理的電信號(hào)的傳感器，廣泛應(yīng)用于油氣勘探、自然災(zāi)害預(yù)警以及地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的幾種地震檢波器有動(dòng)圈式地震檢波器[2]、電容擺式地震檢波器、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)電容式加速度計(jì)[3]以及MEMS電化學(xué)地震檢波器[4～8]，每種地震檢波器都有著各自不同的優(yōu)點(diǎn)，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。相較于其他類(lèi)型的地震檢波器，MEMS電化學(xué)地震檢波器由于其低頻靈敏度高、無(wú)機(jī)械噪聲以及可安裝傾角范圍大正在受到越來(lái)越大的關(guān)注。

電化學(xué)地震檢波器首先于二十世紀(jì)六、七十年代被美國(guó)海軍裝備實(shí)驗(yàn)室提出[7]；然后由俄羅斯莫斯科物理研究所進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)出可以測(cè)量震動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)地震檢波器；2012年中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所的何文濤等人將MEMS技術(shù)與電化學(xué)地震檢波器相結(jié)合，研制出首個(gè)MEMS電化學(xué)地震檢波器[10]，使電化學(xué)地震檢波器的一致性大大提高的同時(shí)也減小了制作成本，為電化學(xué)地震檢波器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但同其他地震檢波器相比，電化學(xué)地震檢波器的初始工作頻帶需要經(jīng)過(guò)拓寬才可以進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的頻帶拓展方法通過(guò)提高地震檢波器的慣性體體積與質(zhì)量以減小地震檢波器的諧振頻率，但這種方法大大降低了地震檢波器的便捷性，不利于其在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

本文通過(guò)將力平衡負(fù)反饋技術(shù)與頻率補(bǔ)償電路相結(jié)合，提出了一種小型的電化學(xué)微震檢波器，不僅拓展了電化學(xué)地震檢波器的工作頻帶，而且保證了電化學(xué)地震檢波器的體積與重量不受影響，與傳統(tǒng)方法相比，本文方法更適合電化學(xué)地震檢波器的頻帶拓展。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

基于力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器原理如圖1所示，其殼體由有機(jī)玻璃外殼與橡膠膜組成，內(nèi)部為碘與碘化鉀的混合溶液以及敏感電極，敏感電極固定在有機(jī)玻璃上，反饋線(xiàn)圈與檢波器殼體相固定，而反饋磁鐵則固定在橡膠膜上。在電化學(xué)地震檢波器的敏感電極上施以0.3 V的直流偏置電壓，在陰陽(yáng)電極兩端會(huì)產(chǎn)生如下的可逆氧化還原反應(yīng)

(1)

(2)

氧化還原反應(yīng)會(huì)使陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生離子濃度梯度，當(dāng)電化學(xué)地震檢波器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)陰極端的電解液濃度相同，經(jīng)過(guò)差分后不會(huì)有信號(hào)輸出；而當(dāng)電化學(xué)地震檢波器感受到外界震動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于慣性電解液與電化學(xué)地震檢波器殼體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使一個(gè)陰極處的離子濃度升高而另一個(gè)陰極處的離子濃度減小，導(dǎo)致兩個(gè)陰極輸出電流不同，經(jīng)過(guò)差分后即可得到與外界震動(dòng)信號(hào)成比例的輸出信號(hào)。

圖1 基于力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器

2 力平衡負(fù)反饋頻帶拓展原理

MEMS電化學(xué)微震檢波器的工作頻帶通過(guò)力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)與頻率補(bǔ)償電路相結(jié)合來(lái)進(jìn)行拓展，如圖2和圖3所示為帶有力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器閉環(huán)工作原理框圖及實(shí)物圖。當(dāng)?shù)卣饳z波器檢測(cè)到震動(dòng)信號(hào)后即可得到原始的輸出信號(hào)，原始輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率補(bǔ)償電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，然后經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)中的PID調(diào)節(jié)器主要對(duì)反饋信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)以避免產(chǎn)生由負(fù)反饋帶來(lái)的共振問(wèn)題，然后經(jīng)過(guò)處理的反饋信號(hào)進(jìn)入反饋線(xiàn)圈，當(dāng)反饋線(xiàn)圈中存在交流信號(hào)時(shí)就會(huì)對(duì)處于線(xiàn)圈中的反饋磁鐵產(chǎn)生電磁感應(yīng)力，此電磁感應(yīng)力作為反饋力與震動(dòng)信號(hào)相反以使慣性體保持原來(lái)的位置，通過(guò)犧牲一定的靈敏度來(lái)達(dá)到拓展工作頻帶的目的。此外，帶有力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器的底面直徑為5 cm，高為9 cm，質(zhì)量只有355.2 g，十分方便攜帶并且適合用在惡劣的工作環(huán)境下。在力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)工作狀態(tài)下，電化學(xué)地震檢波器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

式中G(w)為電化學(xué)地震檢波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式，F(xiàn)(w)為反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)表達(dá)式，當(dāng)F(w)G(w)的值遠(yuǎn)大于1時(shí)，即系統(tǒng)處于深度負(fù)反饋時(shí)，電化學(xué)地震檢波器的閉環(huán)輸出可以表示為

H(w)=1/F(w)

(4)

通過(guò)調(diào)節(jié)反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)即可以得到所需的輸出頻率特性曲線(xiàn)。

圖2 MEMS電化學(xué)微震檢波器閉環(huán)工作原理框圖

圖3 MEMS電化學(xué)微震檢波器實(shí)物

3 測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試結(jié)果

MEMS電化學(xué)微震檢波器的標(biāo)定需要使用振動(dòng)臺(tái)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號(hào)發(fā)生器給出所需交流信號(hào)至功率放大器，由功率放大器進(jìn)一步調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的放大倍數(shù)，振動(dòng)臺(tái)(BK4048，B&K，丹麥)接收到固定頻率與幅值的交流信號(hào)后開(kāi)始振動(dòng)；固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的電化學(xué)微震檢波器與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)圈式地震檢波器(CDJ—DW2，重慶地質(zhì)儀器廠(chǎng)，中國(guó))檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI4472B，NI公司，美國(guó))，然后對(duì)兩種地震檢波器的輸出信號(hào)大小通過(guò)比例運(yùn)算即可得到電化學(xué)微震檢波器的輸出頻率特性。

圖4所示為MEMS電化學(xué)微震檢波器的原始輸出頻率特性和經(jīng)過(guò)反饋與補(bǔ)償電路拓展后的輸出頻率特性，進(jìn)行頻帶拓展后，MEMS電化學(xué)微震檢波器的3 dB工作帶寬從7～20 Hz拓展至0.1～50 Hz。

圖4 MEMS電化學(xué)微震檢波器輸出頻率特性

圖5為示波器顯示的MEMS電化學(xué)微震檢波器與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)圈式地震檢波器的輸出信號(hào)，可以看到電化學(xué)地震檢波器的輸出信號(hào)為動(dòng)圈式地震檢波器的161.4倍，說(shuō)明MEMS電化學(xué)微震檢波器擁有十分高的靈敏度。

圖5 兩種地震檢波器的輸出信號(hào)

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于力平衡負(fù)反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器，利用負(fù)反饋原理與頻率補(bǔ)償電路相結(jié)合使MEMS電化學(xué)微震檢波器的工作頻帶拓展至0.1～50 Hz，同時(shí)保證了電化學(xué)微震檢波器擁有較小的體積與質(zhì)量，本論文提出的MEMS電化學(xué)微震檢波器可以廣泛的應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的地質(zhì)勘探及地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。